Osciladores Senoidales Electrónica Analógica II. Bioingeniería
Definición Los osciladores senoidales son dispositivos electrónicos capaces de generar una tensión senoidal sin necesidad de aplicar una señal a la entrada. Se analizarán los distintos tipos de osciladores basados en A.O. y en transistores. La aplicación del A.O. tiene sus limitaciones, dada fundamentalmente por el ancho de banda, por lo cual no es posible diseñar osciladores de alta frecuencia (mayores a 1MHz), siendo reemplazado por transistores bipolares o F.E.T. (hasta 500MHz ).
Condición de Oscilación Cuando se conecta X con Y, puede suceder: a) Vr= A.B. V ent < V ent b) Vr= A.B. V ent > V ent c) Vr= A.B. V ent = V ent Con la condición Vr = Vent, que el AB =1
Condición de Oscilación La condición que AB =1 es el requerimiento de módulo y la condición de igualdad en la fase de la señal de realimentación con la de la señal de entrada, es el requerimiento de fase; de modo que estos requisitos representan las condiciones necesarias y suficientes para que un amplificador realimentado pueda oscilar. Estas condiciones fundamentales, son conocidos con el nombre de criterios de Barkhausen.
Cuando se diseña un oscilador, se calcula de tal manera que el producto AB resulte algo superior a la unidad (por ejemplo en un 5 %), y en forma práctica el valor de la ganancia del lazo se van ajustando de modo que a la frecuencia de oscilación, el producto AB resulta ligeramente igual a la unidad. Amplificador Red de realimentación El elemento activo del amplificador puede ser un A.O. o bien un transistor (Bipolar o FET)
Redes de Realimentación con Celdas RC
Redes de Realimentación con Celdas RC
Redes de Realimentación con Celdas RC
Redes de Realimentación adelantoatraso
Osciladores de desplazamiento de fase
Aplicando el criterio de Barkhausen, la parte imaginaria debe ser nula, La parte real cuando es positiva tiene fase 0º, si es negativa tiene una fase de -180º.
Para frecuencias superiores a 1Mhz se reemplaza el A.O. por transistores a) FET b) Bipolares)
Oscilador Puente de Wien (Red adelanto- atraso)
Osciladores LC Se utilizan para frecuencias > 1 MHz. El elemento activo es un transistor bipolar o un F.E.T. Principio de funcionamiento del circuito tanque f 1 = 2π L C Vi 1 2 + C L
Un oscilador LC se construye con un amplificador, y un circuito tanque (LC) como red de realimentación. Siendo Z1, Z2 y Z3 impedancias reactivas puras (inductores y capacitores) Equivalente Thevenin del Amplificador
Resumiendo AV Tipo de Reactancia Negativa X2 = tipo que X3 X1 tipo Positiva X1 = tipo que X2 X3 tipo Oscilador Colpitts: Reactancias de igual tipo son condensadores Oscilador Hartley: Reactancias de igual tipo son inductancias.
Oscilador Colpitts (Amplificador en configuración E-C)
El divisor capacitivo de tensión formado por C1 y C2, es el que produce la tensión de realimentación necesaria para la oscilación, siendo la capacidad del oscilador: C1 C2 C = 1 C1 + C2 Y la frec. de osc. f = 2π L C La condición de oscilación AB>1 Ve ( Ampif) Vc i( c2) XC2 2π f C1 C1 2 Sea B= = = como: i( ) = i c1 ( c2) B= = Vs Vc i XC1 2 f C2 C2 ( Amplif ) 1 C2 BA> 1 = B C1 rc siendoa, re 1 ( C1 ) π
Oscilador Colpitts en config. B-C Vcc + R1 Rc B = Xc2 C1 C1+ C2 = A > Xc1 + Xc2 C1 + C2 C1 Co Cb C1 L R2 Re C2
Oscilador Hartley (Amplificador en conf. E-C) Vcc + R1 Rc Co Ci Z2=L2 R2 CE Z3=L1 Z1= C1 Siendo L = L1+ L2 f = 2π C 1 ( L1+ L 2) B = i i XL2 XL1 = XL2 XL1 = L2 L1 Siendo AB > 1 A > L1 L2
Oscilador Hartley (Amplificador en conf. B-C) L1 Re Rc L2 R1 R2 Cb Ci Vcc + C Co C L L f L L L L L L XL XL XL B 2) 1 ( 2 1 2 2 1 A 2 1 2 2 1 2 + = + > + = + = π
Otros osciladores LC Oscilador Armtrong Vcc + Ci R1 Transf. RF Co Introduce el desfase de 180º en el transformador Siendo: R2 RE Ce M: inductancia mutua L: inductancia del primario B=M/L
Oscilador Clapp (variante del Colpitts) Vcc + Bobina RF R1 1 C = 1 1 1 + + C1 C2 C3 1 f = 2π L C 3 siendo C3 < C1 y C2 y C C3 C1 L RE Ce R2 C3 C2
Osciladores con cristal de cuarzo El principal objetivo del diseño de un oscilador es que la frecuencia de oscilación sea las más estable posible. La variación de la frecuencia se produce fundamentalmente por el envejecimiento de los elementos activos y por la variación de los parámetros de los elementos pasivos con la temperatura. Hacer depender la frecuencia de oscilación de cristales de cuarzo en lugar de elementos, tales como autoinductancias y capacitancias, mejora sensiblemente la estabilidad gracias a la inalterabilidad de las características de estas sustancias respecto del tiempo y de la temperatura. El cuarzo, y otras sustancias, tales como turmalina y las sales de Rochelle, presentan propiedades piezoeléctricas.
Oscilador con cristal de Cuarzo
Ejemplo Un cristal tiene las siguientes características: L= 3H, Cs= 0.05 pf, Cp= 10pF y R= 2KΩ Calcule fs y fp fs = 2π 1 (3. H ).(0.05pF) = 411KHz CLazo = fp = 2π (10 pf).(0.05pf) = 0.0498pF (10 pf + 0.05pF) 1 = 412KHz (3. H ).(0.0498 pf) Si este cristal se emplea en cualquier oscilador se garantiza que la frecuencia de oscilación esta entre 411 y 412 khz.